Une grande variété des eaux résiduelles industrielles et résidentielles contenant de l'ammonium sont rejetées dans la nature sans traitement approprié. Étant donné que cela peut constituer une menace à la fois pour l'environnement et pour la santé humaine, il est courant d'éliminer l'ammonium en le convertissant en azote gazeux qui est rejeté dans l'atmosphère. Bien que cela aide à se conformer aux règlementations environnementales, l'ammonium est un produit de grande valeur, étant l'un des principaux composants des engrais. Malgré cette grande disponibilité en tant que sous-produit, ce nutriment est généralement produit à partir de zéro par des techniques très consommatrices d'énergie qui génèrent des émissions de gaz à effet de serre telles que le procédé Haber-Bosch. Les systèmes de dégazage et absorption permettent de récupérer l'ammonium des eaux usées et de le revaloriser dans un produit utile. Son implémentation dans les grandes industries a été largement validée et rapportée dans la littérature. Des recherches continuent d'être effectuées pour étudier l'effet des différentes caractéristiques des eaux usées, telles que la teneur en chlorure et l'alcalinité, qui peuvent diminuer ou améliorer la récupération de l'ammonium. Plus important encore, son adaptation pour des implémentations à petite échelle n'a pas encore été explorée alors que la possibilité de traiter de petits volumes d'eaux usées et de récupérer des ressources et de l'eau sur site est très intéressante. Compte tenu de ce qui précède, l'objectif de ce projet est d'évaluer la faisabilité de la mise en œuvre de tels systèmes à petite échelle. Ce travail se concentre uniquement sur l'étape de dégazage. Pour cela, il est indispensable de caractériser les effluents de différentes sources et leurs effets sur l'efficacité de récupération de l'ammonium. Un système de dégazage et absorption a été reproduit à l'échelle du laboratoire. Les effets de la teneur en ammonium, de l'alcalinité, de la conductivité électrique et du pH ont été évalués dans des tests par lots utilisant des solutions synthétiques. À partir des résultats, une régression linéaire a été effectuée pour obtenir un modèle mathématique permettant de prédire l'élimination de l'ammoniac à partir des caractéristiques d'un effluent donné. Ce modèle a été utilisé comme noyau d'un modèle de conception qui évalue la faisabilité des systèmes d'extraction de l'ammoniac à partir des caractéristiques des eaux usées et d'un objectif d'élimination prédéfini. En tenant compte des facteurs économiques et à partir d'un problème d'optimisation itératif, le modèle produit la géométrie, le nombre d'unités de dégazage et l'alimentation en air qui minimisent à la fois les frais d'investissement et d'exploitation. Étant donné que la concentration d'ammoniac dans les eaux usées est connue et le pourcentage de récupération est fixé, la conception du procédé n'affecte pas le revenu obtenu de sa vente. Le modèle a été calibré sur la base de solutions synthétiques imitant la composition de l'urine, du lixiviat de compostage et des eaux usées d'aquaculture. Lorsqu'il a été validé par rapport à des effluents réels, il n'a pu prédire que l'efficacité d'élimination de l'urine. Un exemple d'étude de cas portant sur l'analyse technico-économique du fonctionnement d'un système de traitement d'urine à petite échelle a été réalisé. Bien que les frais d'exploitation soient approximativement le double (ou plus si l'épuration est envisagée) de ceux d'un procédé conventionnel d'élimination uniquement, il est intéressant d'un point de vue environnemental. Il est recommandé de poursuivre l'étude des effets des autres composants des eaux usées qui pourraient avoir un impact sur le procédé. Des recherches supplémentaires doivent être menées sur la réduction de frais d'exploitation afin de rendre ces options économiquement intéressantes. / A wide variety of ammonium-bearing industrial and domestic waste streams are discharged into nature without proper treatment. Since this can pose a threat to both the environment and human health, it is common practice to remove ammonium by converting it into nitrogen gas which is released to the atmosphere. Although this helps complying with environmental regulations, ammonium is a highly valuable product, being one of the main components in fertilizers. Despite this extensive availability as by-product, this nutrient is commonly produced from the ground up through highly energy consuming techniques that generate green house gas emissions such as the Haber-Bosch process. The stripping-scrubbing systems allow to recover ammonium from waste water and revalorize it as a useful product. Its application in large-scale industries has been widespread validated and reported in the literature. Research is still being done to study the effect of different characteristics of wastewater, such as chloride content and alkalinity that may decrease or enhance ammonium recovery. More importantly, its adaptation for small-scale applications has not yet been explored despite the fact that the possibility to treat small volumes of wastewater and the recovery of resources and water on-site are very attractive. Considering the above, the objective of this project is to evaluate the feasibility of implementing such systems in small-scale industries. This work focuses on the stripping stage only. For this, it is essential to characterize the effluents from various sources and their effects on the ammonium recovery efficiency. A stripping-scrubbing system was reproduced at laboratory-scale. The effects of ammonium content, alkalinity, electrical conductivity, and pH were assessed in batch tests using synthetic solutions. From the results, a linear regression was performed to obtain a mathematical model to predict ammonia removal from the characteristics of a given effluent. This model was used as the core of a design model that evaluates the feasibility of ammonia stripping systems from the wastewater characteristics and a predefined removal target. Taking economic factors into account by means of an iterative optimization problem, it outputs the geometry, number of stripping units, and air supply that minimized both investment and operating costs. Since the target is predefined and the wastewater composition known, the income from selling a fertilizing salt is independent of the design. The model was calibrated based on synthetic solutions mimicking the composition of urine, composting leachate, and aquaculture wastewater. When validated against real effluents, it only was able to predict the removal efficiency of urine. An example case study addressing the techno-economic analysis of the operation of a small-scale urine treatment system was conducted. Although the operating costs approximately double (or more if scrubbing is considered) that of a conventional removal-only process, it is interesting from an environmental perspective. It is recommended to continue studying the effects of other components of wastewater that could impact the process. Further research must be done reducing operational costs in order to make these options economically interesting.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/100264 |
| Date | 13 December 2023 |
| Creators | Santiago Badillo, Tania |
| Contributors | Vaneeckhaute, Céline, Comeau, Yves |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | COAR1_1::Texte::Thèse::Mémoire de maîtrise |
| Format | 1 ressource en ligne (x, 49 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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